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Simulation eines DC-Linearantriebs in SOLIDWORKS

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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Gebrauchte Werkzeuge:

Was ist ein Gleichstromantrieb?

Magnetische Aktuatoren wandeln mithilfe elektromagnetischer Felder elektrische Energie in mechanische Energie um. In Abhängigkeit von der Bewegung, ob es sich um eine Translation oder eine Rotation handelt, werden die Antriebe in zwei Hauptkategorien eingeteilt, nämlich Linear- und Rotationsantriebe.

Gleichstromaktoren bestehen im Allgemeinen aus Permanentmagneten, Magnetspulen und ferromagnetischen Teilen. Magnetantriebe (Abbildung 1) haben einen Stahlanker, der sich nur in linearer Richtung bewegen kann. Das Arbeitsprinzip besteht darin, einen Gleichstrom durch eine Spule mit mehreren Windungen zu leiten, die einen statischen Magnetfluss erzeugen kann. Die magnetische Flussdichte erzeugt eine magnetische Kraft auf das bewegliche Teil (oder den Kolben). Der Kolben und das Spulengehäuse bestehen aus ferromagnetischem Material mit hoher Permeabilität, um das Magnetfeld leicht leiten zu können.

Linearer Gleichstromantrieb

Abbildung 1 - Linearer Gleichstromantrieb
Typischer Klappenmagnetantrieb Abbildung 2 - Typischer Klappenmagnetantrieb: (a) Geometrie, bei der Stahl aus dünnen Blechen besteht, die in der Ebene der Seite liegen und in der Richtung außerhalb der Seite gestapelt sind; (b) Computeranzeige von Flusslinien, die durch Finite-Elemente-Analyse erhalten wurden [1]

Simulation eines DC-Aktors mit EMWorks

Die elektromagnetische oder EM-Simulation wird verwendet, um die Arbeitsweise von DC-Linearaktuatoren zu entwerfen und zu untersuchen. Es hilft, die von der Arbeitsspule erzeugte Kraft zu berechnen, die Charakteristik der implementierten Feder zu bestimmen, die richtigen Materialien auszuwählen und die geometrischen Parameter des Stellantriebs zu optimieren.

EMWorks bietet sowohl 2D- als auch 3D-FEM-Lösungen, die vollständig in SOLIDWORKS eingebettet sind. Die 2D-FEM-Lösung wird für anfängliche iterative Entwürfe empfohlen, da diese Simulationen schnell durchgeführt werden können. Eine 3D-FEM-Lösung wird verwendet, um die endgültigen Modellparameter zu bestätigen, bevor das Design fertiggestellt und ein Prototyp für Feldtests erstellt wird.

Simulation mit EMWorks2D in SOLIDWORKS

Benchmark 1: Simulation eines Klappenankersolenoids mit planarer Geometrie [1]

In diesem Beispiel wird das 2D-Modell aus Grundskizzen erstellt. Das simulierte Modell hat eine Translationsinvarianz entlang der z-Achse. Die Modellgeometrie ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Abmessungen betragen w=10 mm, Al1=5 mm, Al2=30 mm.
Al3=5 mm, Sl1=15 mm, Sl2=30 mm, Sl3=15 mm und g=2 mm. Die Spule besteht aus Kupfer mit 200 Windungen.

Schematische Darstellung des Magnetventils des planaren Klappenankers
Abbildung 3 - Schema des Magnetventils des planaren Klappenankers

Abbildung 4 unten zeigt das 2D-Modell, das in Dreieckselemente eingreift. Auf den Luftspalt wird eine kleine Maschenweite aufgebracht. Die magnetische Flussdichte ist in Abbildung 5 und die Feldlinien in Abbildung 6 dargestellt.

Vermaschtes Modell für die 2D-Simulation
Abbildung 4 - Vernetztes Modell für die 2D-Simulation

Verteilung der magnetischen Flussdichte im Modell

Abbildung 5 - Verteilung der magnetischen Flussdichte im Modell

Feldlinien-Plot
Abbildung 6 - Darstellung der Feldlinien

Die Kraft am beweglichen Anker wird für unterschiedliche Ströme und Luftspaltlängen berechnet. Abbildung 7 zeigt die von EMWorks2D berechneten Kraftergebnisse, die gut mit den Referenzergebnissen [1] übereinstimmen.

EMWorks2D und Referenz [1] ergeben sich aus der Magnetkraft

Abbildung 7 - Ergebnisse von EMWorks2D und Referenz [1] der Magnetkraft

Benchmark 2: 2D-Kolbenmagnetantrieb [1]

In diesem Beispiel wird ein 3D-Modell des Kolbenmagnetantriebs behandelt. Der Kolben ist zylindrisch und das Solenoid ist achsensymmetrisch. Die Magnetkraft wirkt nur am Ende des Kolbens. Die geometrischen Parameter sind in Abbildung 8 dargestellt.
Die Windungszahl beträgt 400 und der eingespeiste Strom 4A. Die Spule besteht aus Kupfer und die übrigen Bauteile aus ferromagnetischem Material mit einer relativen Permeabilität von 2000.

Schema des axialsymmetrischen Kolbensolenoids
Abbildung 8 - Schema des axialsymmetrischen Kolbensolenoids

Ein Bild des vermaschten Modells ist in Abbildung 9 dargestellt. Um das Netz im Luftspalt anzupassen, wird eine Netzsteuerung mit kleiner Elementgröße auf den Luftspalt angewendet.

Vermaschtes 2D-Modell
Abbildung 9 - Vermaschtes 2D-Modell

Tabelle 1 zeigt die berechnete Kraft für 2 mm Luftspalt bei EMWorks2D und Referenz [1].

Tabelle 1 - Berechnete Kraft
EMWorks2D Ref [1]
Kraft (N) 19.345 19,34

Benchmark 3: Kraft auf 3D-Klappenankersolenoid mit axialsymmetrischer Geometrie [1]

Dieses Beispiel stellt eine Umdrehungssymmetrie mit beweglichem Anker dar. Bild 10 zeigt die Geometrie des achsensymmetrischen Aktors. Die Hauptabmessungen sind:
g=2 mm, wa=8 mm, R1=15 mm, R2=25 mm, R3=30 mm, Z1=8 mm und Z2=23 mm. Die Spule besteht aus Kupfer mit 2000 Windungen und einem Erregergleichstrom von 1A (NI=2000 At).

Schema des simulierten 3D-Klappenankers mit achsensymmetrischer Geometrie

Abbildung 10 - Schema des simulierten 3D-Klappenankers mit axialsymmetrischer Geometrie

Eine Schnittansicht des 3D-Modells ist in Abbildung 11 dargestellt. Die magnetische Flussdichte, die durch die Gleichströme im Stellglied erzeugt wird, ist in Abbildung 12 als Vektoren dargestellt.

Schnittansicht des 3D-Modells

Abbildung 11 - Schnittansicht des 3D-Modells
Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte
Abbildung 12 - Vektordiagramm der magnetischen Flussdichte

Tabelle 2 zeigt die berechnete Kraft auf den sich bewegenden Anker unter Verwendung von EMS für zwei verschiedene relative Permeabilitäten.
Tabelle 2 - Vom UMS berechnete Kraft
Relative Durchlässigkeit 2000 10000
EMS-Ergebnisse (N) 283,68 290,00

Da das vorherige Modell eine achsensymmetrische Geometrie darstellt, könnte EMWorks2D verwendet werden, um dieses Problem zu lösen und die Berechnungszeit in Vorversuchen zu minimieren. Verwenden der 2D-Vereinfachungsfunktion in EMWorks2D,
Ein 3D-CAD-Modell kann einfach in simulationsfertige 2D-Oberflächen konvertiert werden.

Abbildung 13 zeigt die Richtung der magnetischen Flussdichte im 2D-Modell. Infolgedessen ziehen die Magnetkräfte den sich bewegenden Anker an den Stator an. Die Anziehungskraft beträgt 279,68 N bei einem Luftspalt von 2 mm und einer relativen Permeabilität von 2000.

Magnetische Flussdichte im Aktor
Abbildung 13 - Magnetische Flussdichte im Stellantrieb

Tabelle 3 zeigt die berechnete Kraft auf den sich bewegenden Anker unter Verwendung von EMWorks2D und Referenzergebnissen [1]. Es wird ein kleiner Fehler zwischen 2D- und 3D-Ergebnissen (Tabelle 2) beobachtet, der auf die 2D-Approximation zurückzuführen ist.

Tabelle 3 - Ergebnisse der erzeugten Kraft für unterschiedliche relative Permeabilität
Relative Durchlässigkeit EMWorks2D Ergebnisse (N) Referenz [1] Ergebnisse (N)
2000 279,68 279,41
10000 285,42 285,1

Fazit

Die von einem Gleichstromstellglied erzeugte Magnetkraft hängt von der relativen Permeabilität des Materials, den Ampere-Windungen der Spule und dem Luftspalt ab. Eine 2D-Simulation von EMWorks2D berechnet die Kraft und die magnetische Flussdichte. Der Hauptvorteil einer 2D-Simulation besteht in der Verkürzung der Lösungszeit. Schließlich bestätigt die 3D-Simulation mit EMS die 2D-Lösung und liefert genaue Ergebnisse unter realistischeren Bedingungen, wenn die 2D-Annahmen nicht mehr zutreffen.

Verweise

[1]: J. R. Brauer, Magnetic Actuators and Sensors: John Wiley & Sons, 2006.